机械原理（第2版）

前    言
本书在第1版的基础上，根据*高等教育机械基础课程教学指导分委员会的要求并吸取编者教学实践中所积累的经验修订而成。
具体的修订工作主要有以下两方面。
（1）保持原内容体系，对第1版内容进行部分增、删或改写，使之更便于教与学。
（2）增强实用性，使教材内容更贴近工程实践。
本书注重能力的培养，力求做到不断强化自学能力、思维能力、创造性地解决问题的能力，以及不断自我更新知识的能力；促进学生向富有鲜明个性的方向发展，旨在满足全国众多应用型本科院校培养机械类人才的需要。
本书各章结合生产实践和日常生活实际的应用实例，在阐述机械原理的基本概念、基本原理和基本方法的同时，遵循由浅入深、循序渐进的原则，内容侧重应用型人才的培养。课堂教学学时宜为60学时左右，实验学时为6～8学时，课程设计时间为1.5周。
各章参考学时见下表。

章    节 参 考 学 时
第1章 绪论 1
第2章 平面机构的结构分析 8
第3章 平面连杆机构及其设计 8
第4章 凸轮机构及其设计 6
第5章 齿轮机构及其设计 12
第6章 轮系及其设计 4
第7章 间歇运动机构 2
第8章 平面机构的运动分析 4
第9章 平面机构的力分析 4
第10章 机械的平衡 3
第11章 机械的运转及其速度波动的调节  4
第12章 机构创新设计基本理论与方法 2
第13章 机械传动系统的方案设计 2

本书由河北建筑工程学院张静和刘春东担任主编。张静编写第2、3、4、6、7、11章，以及5.1～5.8节；刘春东编写第1、8、9、10、12、13章，以及5.9～5.11节。感谢电子工业出版社对本书的修订工作给予了热情的关注和大力支持。
尽管编者为本书付出了很多的心血和努力，但疏漏和欠妥之处定然存在，恳请广大读者批评指正。

 编 者
 2020年5月

本书是根据*高等教育机械基础课程教学指导分委员会的要求而编写的，旨在满足全国众多应用型本科院校培养机械类人才的需要。全书共13章，内容包括绪论、平面机构的结构分析、平面连杆机构及其设计、凸轮机构及其设计、齿轮机构及其设计、轮系及其设计、间歇运动机构、平面机构的运动分析、平面机构的力分析、机械的平衡、机械的运转及其速度波动的调节、机构创新设计基本理论与方法和机械传动系统的方案设计。各章后附有一定数量的思考题、习题及考研真题，方便读者学习。本书主要作为应用型本科院校机械类各专业本科生必修课的教材，也可作为高职高专机械类各专业的教材，还可作为非机械类学生及有关工程技术人员的参考书。

本书是根据高等教育机械基础课程教学指导分委员会的要求而编写的，旨在满足全国众多应用型本科院校培养机械类人才的需要。全书共13章，内容包括绪论、平面机构的结构分析、平面连杆机构及其设计、凸轮机构及其设计、齿轮机构及其设计、轮系及其设计、间歇运动机构、平面机构的运动分析、平面机构的力分析、机械的平衡、机械的运转及其速度波动的调节、机构创新设计基本理论与方法和机械传动系统的方案设计。各章后附有一定数量的思考题、习题及考研真题，方便读者学习。本书主要作为应用型本科院校机械类各专业本科生必修课的教材，也可作为高职高专机械类各专业的教材，还可作为非机械类学生及有关工程技术人员的参考书。

张静，副教授，河北建筑工程学院机械工程学院专职教师，长期从事机械原理、机械设计基础等课程的教学与研究，具有丰富的教学经验。

目 录 

第1章 绪论 1 
1.1 机械原理课程研究的对象与内容 1 
1.1.1 机器 1 
1.1.2 机构 3 
1.1.3 构件与零件 3 
1.2 机械原理课程在专业中的地位和作用 4 
1.3 如何进行本课程的学习 4 
1.4 机械原理学科的发展现状及趋势 5 
习题与思考题 6 
第2章 平面机构的结构分析 7 
2.1 平面机构的结构分析的内容和目的 7 
2.2 运动副、运动链及机构 7 
2.2.1 运动副 7 
2.2.2 运动链及机构 8 
2.3 平面机构运动简图 8 
2.3.1 构件的自由度 8 
2.3.2 平面运动副的分类及表示 8 
2.3.3 构件的分类及表示 10 
2.3.4 平面机构运动简图 12 
2.4 平面机构自由度 13 
2.4.1 平面机构自由度计算公式 13 
2.4.2 平面机构具有确定运动的条件 14 
2.4.3 计算平面机构自由度时应注意的事项 15 
2.5 平面机构的组成原理与结构分类 20 
2.5.1 平面机构的组成原理 20 
2.5.2 平面机构的结构分类 20 
2.6 平面机构的结构分析 21 
2.7 平面机构的高副低代 22 
习题与思考题 24 
第3章 平面连杆机构及其设计 27 
3.1 平面连杆机构及其传动特点 27 
3.2 铰链四杆机构的基本类型及其演化 27 
3.2.1 铰链四杆机构的基本类型及其应用 27 
3.2.2 铰链四杆机构存在曲柄的条件及类型的判定 30 
3.2.3 铰链四杆机构的演化 31 
3.3 平面四杆机构的运动特性 36 
3.3.1 曲柄摇杆机构的运动特性 36 
3.3.2 两种常用平面四杆机构的运动特性 40 
3.4 平面四杆机构的设计 41 
3.4.1 用图解法设计平面四杆机构 42 
3.4.2 用解析法设计平面四杆机构 46 
3.4.3 用实验法设计平面四杆机构 47 
习题与思考题 48 
第4章 凸轮机构及其设计 52 
4.1 概述 52 
4.1.1 凸轮机构的组成 52 
4.1.2 凸轮机构的应用和分类 52 
4.2 从动件的运动规律 55 
4.2.1 凸轮机构的基本概念和参数 55 
4.2.2 从动件常用的运动规律 56 
4.2.3 从动件运动规律的选择 66 
4.3 盘形凸轮轮廓曲线的设计 67 
4.3.1 凸轮轮廓曲线设计基本原理 67 
4.3.2 用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线 68 
4.3.3 用解析法设计盘形凸轮轮廓曲线 72 
4.4 凸轮机构基本参数的确定 75 
4.4.1 压力角的确定 76 
4.4.2 基圆半径的确定 78 
4.4.3 滚子半径的确定 78 
4.4.4 平底从动件长度的确定 79 
习题与思考题 80 
第5章 齿轮机构及其设计 83 
5.1 概述 83 
5.1.1 齿轮机构的特点 83 
5.1.2 齿轮机构的分类 83 
5.2 传动比和齿廓啮合基本定律 85 
5.2.1 传动比 85 
5.2.2 齿廓啮合基本定律 85 
5.3 渐开线的形成、性质、方程和函数 86 
5.3.1 渐开线的形成 86 
5.3.2 渐开线的性质 86 
5.3.3 渐开线方程与渐开线函数的求解 87 
5.4 渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸 88 
5.4.1 齿轮各部分名称和符号 88 
5.4.2 标准齿轮的定义和基本参数 90 
5.4.3 几何尺寸计算 90 
5.4.4 内齿轮和齿条的尺寸计算 91 
5.5 渐开线齿轮传动及渐开线齿廓的啮合特性 92 
5.5.1 节点、节圆、啮合线和啮合角 92 
5.5.2 渐开线齿廓的啮合特性 92 
5.6 渐开线齿轮正确啮合、安装和连续传动条件 94 
5.6.1 正确啮合条件 94 
5.6.2 正确安装条件 95 
5.6.3 连续传动条件 97 
5.7 渐开线齿廓的切削加工 99 
5.7.1 渐开线齿廓的切削原理 99 
5.7.2 渐开线齿廓的根切现象 102 
5.7.3 渐开线标准外齿轮不发生根切现象的条件 102 
5.8 变位齿轮概述 103 
5.8.1 变位齿轮的定义及特点 103 
5.8.2 不发生根切现象的小变位系数xmin的计算 104 
5.8.3 变位齿轮的几何尺寸计算 104 
5.8.4 变位齿轮传动条件 105 
5.8.5 变位齿轮传动类型及特点 106 
5.8.6 变位齿轮传动的设计步骤 108 
5.9 斜齿圆柱齿轮机构 108 
5.9.1 渐开线斜齿圆柱齿轮齿面的形成及其传动特点 108 
5.9.2 渐开线斜齿圆柱齿轮的基本参数及几何尺寸 109 
5.9.3 斜齿圆柱齿轮的当量齿轮和当量齿数 112 
5.9.4 斜齿圆柱齿轮啮合传动条件 113 
5.9.5 交错轴斜齿轮传动 114 
5.10 圆锥齿轮机构 116 
5.10.1 圆锥齿轮传动的特点 116 
5.10.2 直齿圆锥齿轮齿廓曲面的形成 117 
5.10.3 圆锥齿轮的背锥与当量齿数 117 
5.10.4 圆锥齿轮啮合传动及其几何尺寸 118 
5.11 蜗杆传动 120 
5.11.1 蜗杆传动的特点 120 
5.11.2 蜗杆传动的基本参数 120 
5.11.3 蜗杆传动的正确啮合条件 122 
5.11.4 蜗杆传动的几何尺寸计算 122 
习题与思考题 123 
第6章 轮系及其设计 126 
6.1 轮系的分类 126 
6.2 定轴轮系的传动比计算 127 
6.3 周转轮系的传动比计算 129 
6.4 复合轮系的传动比计算 132 
6.5 轮系的功用 133 
6.6 周转轮系的设计及各个齿轮齿数的确定 136 
6.7 其他类型的行星齿轮传动概述 139 
6.7.1 渐开线少齿差行星齿轮传动 139 
6.7.2 摆线针轮行星齿轮传动 140 
6.7.3 谐波齿轮传动 140 
习题与思考题 141 
第7章 间歇运动机构 145 
7.1 棘轮机构 145 
7.1.1 棘轮机构的组成和工作原理 145 
7.1.2 棘轮机构的类型 145 
7.1.3 棘轮机构的应用 146 
7.2 槽轮机构 147 
7.2.1 槽轮机构的组成及工作原理 147 
7.2.2 槽轮机构的类型 147 
7.2.3 槽轮机构的应用 148 
7.3 不完全齿轮机构 149 
7.3.1 不完全齿轮机构的组成及工作原理 149 
7.3.2 不完全齿轮机构的类型及应用 150 
7.4 螺旋机构 151 
7.4.1 螺旋机构的组成及工作原理 151 
7.4.2 螺旋机构的应用 152 
7.5 万向联轴节 153 
7.5.1 单万向联轴节 153 
7.5.2 双万向联轴节 154 
7.5.3 万向联轴节的应用 155 
习题与思考题 155 
第8章 平面机构的运动分析 156 
8.1 利用瞬心法对平面机构进行速度分析 156 
8.1.1 瞬心的概念和数目计算 156 
8.1.2 瞬心的位置 157 
8.1.3 瞬心法在机构速度分析中的应用 158 
8.2 利用相对运动图解法对机构进行速度和加速度分析 160 
8.2.1 同一构件上两点之间的速度和加速度分析 160 
8.2.2 组成移动副的两个构件瞬时重合点之间的速度和加速度分析 163 
8.3 利用解析法对机构进行速度和加速度分析 167 
8.3.1 矩阵法 168 
8.3.2 复数矢量法 170 
8.4 运动线图 171 
习题与思考题 172 
第9章 平面机构的力分析 175 
9.1 机构的惯性力确定和动态静力分析 175 
9.1.1 构件惯性力的确定 175 
9.1.2 机构的动态静力分析 176 
9.2 机构传动摩擦力的确定 179 
9.2.1 移动副摩擦力的确定 179 
9.2.2 螺旋副摩擦力的确定 182 
9.2.3 转动副摩擦力的确定 183 
9.2.4 考虑运动副摩擦力情况下的机构力分析 185 
9.3 机械效率与自锁 186 
9.3.1 机械效率 186 
9.3.2 机构自锁 189 
习题与思考题 192 
第10章 机械的平衡 195 
10.1 机械平衡的目的和内容 195 
10.1.1 机械平衡的目的 195 
10.1.2 机械平衡的分类 195 
10.2 刚性转子的平衡原理及方法 196 
10.2.1 静平衡 196 
10.2.2 动平衡 197 
10.2.3 平衡实验概述 199 
10.2.4 转子的许用不平衡量 201 
10.3 平面连杆机构的平衡 202 
10.3.1 完全平衡 202 
10.3.2 部分平衡 204 
习题与思考题 206 

第11章 机械的运转及其速度波动的调节 209 
11.1 机械系统动力学问题 209 
11.1.1 研究机械系统动力学问题的目的和内容 209 
11.1.2 机械的运转过程 209 
11.1.3 驱动力和工作阻力的类型及机械特性 210 
11.2 机械系统的等效动力学模型 211 
11.2.1 等效动力学模型的基本原理 211 
11.2.2 等效力矩和等效力 212 
11.2.3 等效转动惯量和等效质量 212 
11.3 机械运转速度波动的调节 215 
11.3.1 周期性速度波动产生的原因 215 
11.3.2 周期性速度波动的不均匀系数 217 
11.3.3 周期性速度波动调节的基本原理 218 
11.3.4 飞轮转动惯量JF的近似计算 219 
11.3.5 非周期性速度波动的调节 221 
习题与思考题 222 
第12章 机构创新设计基本理论与方法 225 
12.1 机构的变异与创新设计 225 
12.1.1 构件形状变异与创新设计 225 
12.1.2 运动副形状变异与创新设计 226 
12.1.3 运动副等效代换与创新设计 228 
12.2 机构的组合与创新设计 230 
12.2.1 机构组合的基本概念 230 
12.2.2 机构的串联组合与创新设计 232 
12.2.3 机构的并联组合与创新设计 234 
12.2.4 机构的叠加组合与创新设计 236 
12.2.5 机构的封闭组合与创新设计 239 
12.2.6 其他类型的机构组合与创新设计 242 
习题与思考题 243 
第13章 机械传动系统的方案设计 244 
13.1 概述 244 
13.2 机械传动系统方案设计及机构类型的选择 244 
13.2.1 机械传动系统方案设计的基本原则 244 
13.2.2 机构类型的选择 246 
13.2.3 机构构件之间运动的协调与机械系统运动循环图 247 
13.3 机械传动系统方案设计举例 250 
13.3.1 C1325型单轴六角自动车床转塔刀架机械传动系统的分析 250 
13.3.2 多头专用自动钻床的机械传动系统设计 252 
13.4 现代机械传动系统发展情况简介 255 
13.4.1 系统分析设计方法 256 
13.4.2 创造性设计方法 256 
13.4.3 优化设计方法 256 
13.4.4 可靠性设计方法 257 
13.4.5 机构的动力平衡 257 
习题与思考题 258 
参考文献 259

本书是根据*高等教育机械基础课程教学指导分委员会的要求而编写的，旨在满足全国众多应用型本科院校培养机械类人才的需要。全书共13章，内容包括绪论、平面机构的结构分析、平面连杆机构及其设计、凸轮机构及其设计、齿轮机构及其设计、轮系及其设计、间歇运动机构、平面机构的运动分析、平面机构的力分析、机械的平衡、机械的运转及其速度波动的调节、机构创新设计基本理论与方法和机械传动系统的方案设计。各章后附有一定数量的思考题、习题及考研真题，方便读者学习。本书主要作为应用型本科院校机械类各专业本科生必修课的教材，也可作为高职高专机械类各专业的教材，还可作为非机械类学生及有关工程技术人员的参考书。

张静，副教授，河北建筑工程学院机械工程学院专职教师，长期从事机械原理、机械设计基础等课程的教学与研究，具有丰富的教学经验。